За 16 лет построено более 18 тыс. км дорог, в том числе более 2 тыс. км с цементобетонными и асфальтобетонными покрытиями на бетонных основаниях. В России с 2017 года межремонтные сроки дорожных одежд увеличены до 24 лет, для пропуска по федеральным дорогам автотранспорта с нагрузкой 11,5 тонн на ось. В то же время в Казахстане и Российской Федерации принципы расчета дорожных одежд остались прежними – такими же, как и в нормативных документах 1960–80 гг. со сроком эксплуатации 15–25 лет.
Многочисленные натурные исследования ученых крупнейших научных школ России, занимающихся вопросами динамики дорожных конструкций, МАДИ (под руководством М. В. Немчинова), СибАДИ (под руководством А. В. Смирнова), РГСУ (под руководством С. К. Илиополова и Е. В. Угловой), позволили установить, что колебания дорожных конструкций сопровождаются деформациями всех слоев дорожной одежды, а модуль упругости грунта земляного полотна на глубине 1,8 м снижается до 12 Мпа при частоте вибрации 1,75 Гц.
Новые мировые концепции свидетельствуют о необходимости коренной переработки действующей до сих пор в Казахстане и в России методики проектирования автомобильных дорог. Для увеличения межремонтных сроков дорожных конструкций до 50 лет и окупаемости затрат на полный жизненный цикл эксплуатации дорог рекомендуется повышать несущую способность слоев «снизу вверх». Использование монолитных слоев в нижних слоях дорожной одежды приведет к увеличению затрат, поэтому рекомендуется использовать вместо традиционных затратных технологий ресурсосберегающие и энергосберегающие технологии и материалы. Для этого в Казахстане и России имеются уникальные возможности – применительно к сырьевой базе и технике.
Дорожные бетоны и асфальтобетоны обладают свойствами коллоидной длительной тиксотропии и реопексии, что обеспечивает самовосстановление и упрочнения бетонам исключительно в условиях многолетней эксплуатации автомобильных дорог и аэродромов.
Различные крупнотоннажные промышленные техногенные минеральные отложения, прошедшие термическую обработку при основном производстве, обладают вяжущими свойствами и используются в цементной промышленности, а также в дорожном строительстве.
В Казахстане накоплено более 45 млрд тонн техногенных минеральных отходов (ТМО), а ежегодный выход – около 1 млрд тонн. В России общий объем различных ТМО составляет более 100 млрд тонн, ежегодный выход – более 5 млрд тонн.
Идея создания основания более прочного, чем покрытие, не нова. В России и Казахстане имеются совместные исследования по строительству и эксплуатации дорожных бетонов с использованием крупнотоннажных промышленных техногенных минеральных отходов (ТМО). В связи с закрытием головного дорожного научно-исследовательского института «СоюзДорНИИ», дальнейшие исследования продолжены в Казахстане.
В 2022 году ФАУ «Росдорнии» и ООО «Газпром Энергохолдинг» заключили соглашение на пять лет по применению золошлаков в дорожном строительстве.
Для увеличения межремонтных сроков дорожных конструкций применение продукции ТМО технологически и экономически выгодно, она дешевле природных каменных материалов и требует в 3 раза меньше удельных капиталовложений.
Опыт строительства цементобетонного покрытия автомобильной дороги Алма-Ата – Капчагай, построенного в 1970 году, протяженностью 100 км, показал, что срок эксплуатации составил 20 лет. Затем покрытие в 1990 году было перекрыто асфальтобетонным покрытием, которое находилось в эксплуатации еще 25 лет, до 2015 года, до полной реконструкции дороги. Верхний слой износа каждые пять-шесть лет восстанавливался.
Идея создания дорожных бетонов с высокой морозоустойчивостью была осуществлена в советский период, в 1976–1990 годы, после получения положительных результатов при строительстве первых участков дорог с использованием укатанных шлакобетонов, протяженностью 10 км и 24 км, по разработкам, выполненным в Казахстанском филиале СоюздорНИИ.
В Казахстане за 1976–1990 годы было построено более 1 200 км автомобильных дорог с использованием вяжущих из ТМО для бетонных покрытий со слоем износа из холодного и горячего асфальтобетонов, в том числе в зимний период.
Предварительно при комбинатах ДСМ Министерства автомобильных дорог Казахской ССР были созданы базы по производству цементов и вяжущих на основе ТМО. При этом использовались крупнотоннажные отходы: фосфорные и доменные гранулированные шлаки Чимкентского, Джамбулского фосфорного и Карагандинского металлургического заводов, бокситовые шламы Павлодарского алюминиевого завода, а также золы-уноса 39 ТЭЦ.
За 1976–1984 годы построено 1 200 км дорог с использованием бетонов на основе фосфорных, доменных гранулированных шлаков, золы-уноса ТЭЦ и бокситового шлама.
Из результатов испытаний кернов, высверленных из шлакобетонов, построенных в 1976–1977 годах участков на дорогах Александровка – Нестеровка следует, что прочностные показатели шлакобетонов в процессе эксплуатации дорог повышаются в течение более 30–40 лет.
Белитовые цементы
Белитовые цементы и минеральные вяжущие с преимущественным (50–85%) содержанием в составах двухкальциевого силиката (C2S, белит) обеспечивают долговечность дорожных бетонов и эксплуатацию дорог в течение не менее 50 лет. Долговечность структуры белитовых цементов обеспечивается наноразмерными новообразованиями, состоящими в основном из гидросиликатов кальция С-S-H, которые способствуют практически полной гидратации цементных зерен, в отличие от традиционно используемых в дорожном строительстве алитовых портландцементов с преимущественным содержанием до 65% быстро затвердевающего трехкальциевого силиката.
Гидратация С3S сопровождается образованием вокруг зерен цемента водонепроницаемой оболочки из кристаллизационной структуры, которая со временем препятствует полной гидратации внутренней части зерен цемента.
Поэтому полная гидратация трехкальциевого силиката практически достигает 60%, с образованием более 40% «микробетона Юнга» – непрогидратированных зерен.
В дальнейшем, в течение 15–20 лет эксплуатации автомобильных дорог, происходит гидратация внутренней части зерен, что приводит к разрушению оболочек и снижению прочности цементобетонного покрытия.
Установлено, что портландцементы гидратируются в бетонах в течение пяти-шести лет, в зависимости от фракционного состава зерен цемента: от 5 до 90 мкм. Поэтому для полной гидратации всех зерен цемента размером 40–90 мкм и снижения преждевременных деформаций цементобетонных покрытий рекоендуется устраивать слои износа из плотных асфальтобетонов.
Для полного устранения отрицательного свойства алита (С3S) необходимо в бетонах в качестве мелкого заполнителя использовать гранулированные шлаки, шламы или золы ТЭЦ.
Автомобильная дорога I категории Астана – Щучинск, участок №1, 07–57 км, построенная в 2007 году с цементобетонным покрытием на основании из монолитного укатанного «самовосстанавливающегося» золобетона, уже в течение 16 лет эксплуатируется в идеальном состоянии. Мониторинг через восемь лет эксплуатации участка дороги км 07–57 Астана – Щучинск с помощью георадарного сканирования подтвердил эффективность использования слоя из дренирующего ЩПС, который снижает вибрацию цементобетонного покрытия, а водонепроницаемое золобетонное основание препятствует переувлажнению верхних слоев дорожной одежды от поднятия капиллярной влаги от УГВ.
В Казахстане в процессе многолетнего мониторинга дорог установлены, с учетом современных транспортных нагрузок с тяжелыми контейнерными автоперевозками, основные причины преждевременных деформаций на дорогах:
- многоцикличная вибрация слоев дорожной одежды, способствующая ускоренному поднятию капиллярной влаги снизу, от уровня грунтовых вод, а в первую очередь – начиная с увлажнения грунтов рабочего слоя земляного полотна, что подтверждается исследованиями российских ученых;
- переувлажнению подвергаются все слои дорожной одежды: пористые асфальтобетоны, укрепленные материалами малыми дозами цементов до 10%, и щебеночнопесчаные слои, за исключением цементобетонных покрытий, оснований и асфальтобетонных покрытий из плотных смесей.
Жизненный цикл – 50 лет
Проведенные многолетние термографические, рентгеноструктурные и электронно-микроскопические исследования фазовых составов цементного камня позволили разработать новые составы инновационных белитовых цементов.
Новые цементы обеспечивают требуемые технологические и технические свойства для специфических условий строительства и эксплуатации автомобильных дорог. Основным структурообразующим компонентом в белитовом цементном камне являются низкоосновные гидросиликаты кальция С-S-H, которые представляют собой аморфный клей наноразмерных величин, обладающие свойством длительной тиксотропии. В белитовом цементном камне кристаллогидраты, содержание которых составляет от 20 до 40% в массе С-S-H клея, играют роль дисперсно-армирующих составляющих и не препятствуют глубокой гидратации зерен цемента.
Применение укатанных высокотехнологичных бетонов имеет следующие преимущества:
- осуществление без ограничения по времени всех технологических операций при использовании традиционных дорожно-строительных машин и оборудования;
- повышение производительности и сокращение сроков строительства в 2–3 раза;
- сокращение затрат на строительство покрытий и оснований из укатанных бетонов почти на 30%, по сравнению с аналогичными слоями из цементобетона.
Многолетний практический опыт применения высокотехнологичных укатанных шлакобетонов, шламобетонов и золобетонов показал, что, при длительном мониторинге в течение 35–45 лет, по технико-эксплуатационным свойствам они не уступают высокопрочным цементобетонам.
Безобжиговые белитовые цементы и вяжущие получены на основе использования многотоннажных техногенных минеральных отходов (ТМО), прошедших термическую обработку при основном производстве. Поэтому при производстве экологичных белитовых цементов не требуется обжига, как при производстве промышленных цементных клинкеров. Гарантия межремонтного срока дорожной конструкции – 50 лет, с обновлением слоя износа каждые 10 лет.
Впервые в мировой практике дорожного строительства (в результате многолетних фундаментальных и экспериментальных исследований эксплуатации автомобильных дорог в Казахстане) установлено, что применение белитовых цементов и вяжущих, полученных на основе промышленных крупнотоннажных техногенных минеральных отходов промышленности (золы-уноса ТЭЦ, доменных и фосфорных гранулированных шлаков, бокситовых шламов), позволяет повысить качество и снизить затраты на строительство в 2–3 раза, при жизненном цикле дороги в 50 лет.
Белитовые цементы и вяжущие с преимущественным содержанием в составах двухкальциевого силиката (более 50% и до 85% C2S – белита) обеспечивают долговечность дорожных бетонов и эксплуатацию дорог не менее 35–50 лет. Долговечность структуры белитовых цементов обеспечивается наноразмерными гидросиликатами кальция С-S-H за счет полной гидратации цементных зерен в процессе многолетней эксплуатации автомобильных дорог.
Самовосстанавливающиеся дорожные наноструктурированные бетоны обладают свойствами длительного упрочнения коллоидных структур: тиксотропии (самовосстановление от разрушений) и реопексии (упрочнение от действия транспортных и температурных нагрузок). Применение дорожных конструкций с возрастающей прочностью «снизу вверх» в соответствии с новыми мировыми концепциями потребует изменения методик проектирования и расчета дорожных одежд нежесткого и жесткого типа.
Широкое освоение нанотехнологий и наноматериалов в России и Казахстане, с комплексной переработкой крупнотоннажных промышленных техногенных отходов и вторичного сырья, позволит не только ускоренными темпами модернизировать сеть автомобильных дорог, но и поднять экономику стран.
текст: Б. А. Асматулаев, д-р техн. наук, почетный профессор МАДИ, директор по науке ТОО НИ ПК «Каздоринновация», г. Алматы; Р. Б. Асматулаев, канд. техн. наук, академик транспорта ITA, директор ТОО НИ ПК «Каздоринновация», г. Алматы; Н. Б. Асматулаев, докторант, магистр техн. наук, главный инженер ТОО КазНИИПИ «Дортранс», г. Алматы; Р. А. Мазгутов, генеральный директор ТОО «Павлодаржолдары», академик транспорта ITA, г. Павлодар,
фото: журнал «Дорожная Держава», 123/2024, wirtgen-group.com